автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Компрессионная криохирургическая установка с аккумуляторами холода

одесский шсти1ут низкотамратурнся техники и снергетики РГЕ ОД правах рукописи

3

СИДЕР ИСШ

компрессионная криохирургическая установка с

аккумуляторам холода

Специальность ' j4.CS - машины и аппарата холодильной л

криогенной техники и систем кондиционирования

АВТОРЕФЕРАТ

дассертации на соискание ученой йтелени кандидата технических наук

Одесса - 1994

Работа выполнена в Одесском институте низкотемпературной техники и энергетики

Научный руководитель Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Наер Б.А.

доктор технических наук, профессор Смирно в Г.Ф.

кандидат технических наук Волгушев Б.В.

Ведущая организация КАГЕторк",г. Одесса

эптся.Л. (К 1694 г.в ' ^ ч.

Ьадита диссертации состоится. ¡> сл. ^»- 1ъу4 г.в ' ^ час,

на заседании специализированного совета К.068.27.01 при Одесском институте низкотемпературной техники и энергетики по адресу: 270100, г.Одесса,ул.Петра Великого,1/3.

С диссертацией махи о ознакомиться в библиотеке института. ' Автореферат разослан " 1994 г.

Учений секретарь специализированного

совета, д. т. н., профессор Р.К.Пикульпкн

в

общая характеристика работы

Актуальность тепы.Большинство из применяемых в медицине криохирургических устройств используют залас жидкого азота ил:: скатого газа, но известны и" машинные криохирургические установки,постоянно готовые к работе и не нуждающиеся в хранении рабочего вещества.Однако в настоящее время они применяются значительно рене из-за более слойкой эксплуатации,низких технико-экономических показателей и малых ресурсов работы используемых компрессоров или газовых криогенных машин.Все это в значительной мере связано с требуемым уровне:,? температур (-100-~150°С) и требуемым![ холодопроизводктельностямн (10*50 Вт).Вместе с тем,преимущества машинных криохирургических установок,позволяющие применять их в самых отдаленных районах,настолько очевидны,что актуальность исследований,направленных на их совершенствование,признается всеми специалиста.®.

Цель работы и задачи исследования:

- разработка нового типа компрессионной криохирургический установки,

- теоретическое и экспериментальное исследование установки,

- определение рациональных областей ее применения.

Научная новизна.

1.Ка основе ¡.р-.^ического анализа существующих машинных криохирургических установок предложена новая схема установки,использующая компрессионную дроссельную холодильную машину и аккумуляторы холода.

2.Разработанная математическая модель установки и проведенныо сравнительные расчетные и экспериментальные данные подтверждают возможность ее использования для расчета основных характеристик установки.

3.Проведенные экспериментальные исследования позволили определить тепловые,температурные,энергетические и динамические характеристики установки,а такг.е' рациональные медицинские области ее применения.

Научное полоясииа» Разделение криохирургической установки на отдельные самостоятельные элемент«,выполненные в еидс низкотемпературной камеры и набора различных автономных криоалпаратов-аккукуляторов холода,позволило суцественно улучшить технические и эксплуатационные характеристики установки.

При выполнении-'работы азтороы получены и защищаются следующие научные результаты:

- экспериментальные-данные по температурным, тепловш и дкнэгачееккм характеристика!.! исследуемого опытного о.бр^.зца компрессионной криохн-

рургической установки с аккумуляторами холода,

- схемы и специфические режимы захолакивания и прогрева криоапплпкато-ров-аккумуляторов холода с термосифонными криозондами,

- математическая модель установки.

Практическая ценность .Прозедошше исследования позволили создать новую конструкцию криохирургической установки и доказали перспективность ее использования в оториноларингологии,гинекологии,офтальмологии и дерматологии.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на УШ Всесоюзной конференции"Холод - народному хозяйству",Леник-град,1591;на Международной кокференции"Экология-93",Одесса,1993.В сб. "Холодильная техника и технология","Криохирургическая установка",выл. 56,1993 (принята к публикации).

Получено положительное решение от 16.03.92 на патент по заявке "Низкотемпературная установка" !,"> 4922917/06/25725 от 29.03.91.

Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, четырех глав,выводов и списка использованной литературы 55 наименова-ний.ОбщиЗ объем диссертации {кВ страниц машинописного текста, 37 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕШАНИЕ РАБОШ

Б первой главе приведен анализ публикаций,посвященных разработке, исследованию и практическому применению криохирургических аппаратов и установок,использующих запас рабочего вещества и различные машинные системы охдаздслия.Установлено,что наименее исследованными яв- • ляются машинные криохирургические установки.Имеющиеся образцы обладают малой холодопроиэводителыюстью,недостаточным ресурсом работы, сложны в эксплуатации и далеко не всегда обеспечивают требуемые скорости охлавдения и замотакизания медицинских и биологических объектов.

Известные полупроводниковые аппараты,использующие принцип аккумуляции холода,имеют очень высокие рабочие температуры (выше -40°С) и-малие холо./-„производительности (не более 3-5 Вт) .Мекду тем, теплозой, термодинап.ческий и технико-экономический анализ показывает, что использование принпяпа аккумуляции холода в машинных криохирургических установках позволяет существенно улучшить их основные характеристики.

Таким образом,на основании проведенного критического обзора научно-исследовательской и патентной литературы сформулированы вышеуказанные цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе диссертации рассмотрены возможные схемы компрессионных криохирургических установок с акку!-уляторгми холода,Показано, что наиболее простой является схема с отдельно выполненными низкотемпературной камерой и набором криоапплпкаторов-аккумуляторов холода.На рис.1а и рис.16 поКазани принципиальные схемы установки и кркоаппликатора.При разработке криогенной установки для низкотемпературной камеры использованы ранее проведенные на кафедре криогенных машин ОИНТЭ исследования по подбору смеси рабочих веществ для температурного уровня 1504-130 К, а также конструкции таких элементов установки как фазо-разделители,многопоточные рекуперативные теплообменники, регулируемые дроссели.Состав рабочей смеси включает СН^, C^Hg,ГЪ C$Hf0t /4.

В установке использован серийно выпускаемый для домаяних холодильников герметичный,одноступенчатый,смазываемый компрессор ХКВ-в с однофазны:.', электроприводом.Рабочие давления смеси агентов в стационарной режиме работы установки равнялись: давление нагнетания - I.-liHa, давление всасывания - 0,2 Ша, т.е.мало отличались от обычно наблада-емых при работе домашнего холодильника величин.

Объем >1изкоте:.яературкой камеры составлял примерно 6 дол3.В этом объеме могут располагаться до б криоаппликаторов диаметром го35 мм и обцей высотой ro270 i.sm.Форма камеры - цилиндрическая.Тзпловал изоляция камеры - пенопластовая,толщиной до 150 ш.

Подробно рассматривался вариант конструкции камеры с зкранно-ва-■ куумной теплоизоляцией .Цилиндрическая форма камеры и ее относительно небольшой объем вполне допускай? подобное репення,которое более чем в два раза сокращает общий объем камеры и на 20-30$ сникает теплопри-токи.

Особое внимание было уделено конструкции криоапплшсатора.В обгдем случае криоаппликатор представляет собой контейнер, в который погружен криозонд с рг.боч:2.1 наг.ашчником.Оъем контейнера определяется требуемым запасом холода и теплофизическими свойствами хладскосктеля, заполнявшего контейнер и замерзагщего в области температур 180* 140 К. К таким senjecTBaii относятся спирты,ацетон,толуол.В результате предварительного анализа в качеств« хлздоиосителя был выбран ацетон.

Полученные ранее опытные даккыз показали,что для проведения кр;«о-операцкй в оториноларингологии, гинекологии,дерматологи;!,офтальмологии и стоматологии требуется запас холода не более 10 кдк.Отсюда вытекает.

что при использовании ацетона объем контейнера должен составлять 100 150 см3.

Запасенный в контейнере холод должен быть транспортирован к рабочему наконечнику.Это производится с помощью специального хладопро-вода-крпозоНдаЛ'^иозонд должен передать холод с минимальными температурными потерши.Казалось бы, что эту задачу можно решить просто с помощью медного хладопровода.Но для многих видов криоопераций плот-кости тепловых потоков в криозонде очень велики (до 200 квти температурные потери в медном криозонде при его минимальной длине 100 мм могут достигать 50*60 град, что неприемлемо.Поэтому в экспериментах наряду с медным криозондом исследовался криозонд, выполненный в виде термосифона и прорабатывался вариант криозонда-тепловой трубы.

В качестве рабочего вещества в криогенном термосифоне был выбран этак,находящийся в полости криозонда под давлением.

В главе И приводится разработанная математическая модель компрессионной криохирургической установки с криоаппликаторами-аккукуля-торамч холоди.Модель должна дать ответы на такие основные вопросы кок - соответствуют ли друг другу теплотехнические и динамические характеристики выбранной криогенной установки,низкотемпературной каме-рл ;; набора криоаппликаторов; обеспечивается ли заданный рабочий уровень температуры в стационарном и переходных режимах,допустимое вре->1я накопления холода в заданном наборе криоаппликаторов и ряд других вопросов•

Прэцесс захолакивания установки включает три этапа: охлаждение всех низкотемпературных узлов, замораживание криоаппликаторов и пере-' охлаждение.Тепловой баланс за весь период захолакивания может быть записан в виде:

(Q. -q,uv а -(ш-о;>Q:-Q;q J и . ш

где: Q0 и Gj - холодопроизводителыюсть машины и теплоприток в кап Г\ М°РУ.

Uf2 и Ь(з - количество холода, пошедшее на охлаждение изоляции и внутренней камеры,Члены в скэб"ах дают соответственно количества холода, пошедале на охлаждение хладоносителя в криоаппликаторе и материалов криоаппликатора,охлаждение рабочего вещества в термосифоне,замо-рааивашя хладоносителя,переохлаждение хладоносителя, рабочего вещества и материалов криоаппликатора; П. - число криоапплпкаторов.Переох-лагДение изоляции и камеры учитываются в членах Q, и Q, .

Qr

A-и* (То.сГТо). «S)

Естественно,что вытекающие из (I) системы дифференциальных уравнений, решаются раздельно для каждого из вышеуказанных этапов. Рассмотрим подробнее члены,входящие в (I). /т \

Известно,что для каждой холодильной машины U0 =J I / 0 ) Принимаем эту зависимость линейной:

ОП То ~ ТокР. . ~<fUo т _Т (2)

I ¡окр.

Здесь / о, /о «р. - соответственно температура испарителя и температура, при которой Qt,- 0.

=, Qe~ известная холодопроизводительность машины при температуре /.

Обычно зависиктсть (2) вытекает из экспериментальных данных для применяемой машины.

Теплоприток в цилиндрическую камеру определяется известным соотношением:

" 2tlI + ид' 1лЩб. -ЯГ

L) о

Если принять,что распределение температур в изоляции линейно во времени и в пространстве, то

■ Cuà (Тас-Т.), (4)

где 171ц}. и Сщ. - масса и удельная теплоемкость изоляции,

Toc. - (температура среды Члены QJt Qkf Qtf Q'e рассчитываются по уравнению типа

Qi^iniCi&Ti, (5)

где ïTli и Ci - масса и удельные теплоемкости материала камеры, хл адо но с и т сл я,матер : ; ала криоаппликатора,рабочего вещества в термосифоне.Повсюду в члене ûTi под конечной температурой погашается температура замерзания хладоносителя. Член (3, находится из соотношения

Qi = rnÔ., (б)

здесь ÏÏI и б - масса и теплота замерзания хладоносителя.

Величины Оц, Qs} Qe находятся по уравнениям типа (5).

Первоначально отдельно рассмотрим этапы аахолаклвания установки без учета теплопередачи внутри камеры и членов « О/ (в виду их малости).

Процесс охлаждения.

Для отого процесса тепловой баланс камеры» в которую загружены И криоаппликаторов.за время имеет вид'

Л-П X сШ* . „ ¿й ап.

1Г+ ¿г (7)

Здесь = +(3/

После подстановки соответствующих значений в уравнение (7) получим :

1 ~ТСКР.

р д+гб

2 О

а и}. (1,-1)

¿По..._____________

&г о,5тси1. *т*.с*п (сж.тКш+сИ тп.) (8)

Начальное условие: То-Тс,.

Расчет по уравнению (8) завершается, когда Т<, = Т). Процесс замораживания

После того как в камере достигается температура замерзания хла-доносителя в аппликаторе начинается процесс перехода хладоносителя с твердую фазу.При принятых допущениях температура в камере остается постоянной пока весь хладоноситель не затвердеет.

Для рассматрив аемого периода основное уравнение имеет вид:

оЮа

а=а

-г п -

Здесь где

с£'

. = с/а,»

с1т ? 2-х Рз ¿о* Сделав соответствующие подстановки,получим:

(9) (Ю)

(И)

¿Ег

их

а Г*'Т*

у.

Т'-ЧХ

о к?

2*1

¿п

Т>

агД' 25

1«>1гл\

(12)

2 я п& 6"

Начальные и конечные условия процесса оамосахивания: • Г = Г »Л. , Г- = ,

Г = Г«.а. , Т". - Ф, г Л - • , % Процесс переохлаздекия рассчитывается по уравнении (0) при подстановке соответствующих величин удельны:; теплоемкостеЯ.Обздий процесс захолаживания заканчивается,когда '77 достигает величины Тк -конечной заданной температуры.

Получены аналитические ревения уравнений (8) и (12).Они имеют

вид:

Т. л * С е'Аг ,

--у с, - . »-о

Здесь А,В,С,Су и К - константы,запись которых приведена в диссертации.

Получены также уточненные расчетные соотношения,учитывающие процессы теплообмена менаду элементами установки .Для этого случая диффе-ренцкальное уравнение,определяющее процесс охлаждения (и переохлаж-•денкя),имеет вид:

г/71 _ с/ £/77. С- .

с/? o/L k F*«

(15)

Начальные условия: ? = 0 , 71 = ^ = 77"Т/г* ~ Здесь TJ. - температура поверхности кркоаппликатора,

- коэффициент теплопередачи меяду стенкой камеры и внешней поверхностью контейнера кркоаппликатора, Fan - поверхность контейнера. После замены '71 - ^'71?) уравнение (15) приобретает стандартный вид:

А'^+в'-^'/я-Я'О. ««

Значения постоянных констант А' ?приведены в диссертации. Уравнение (16) решалось численно на ЭВМ.

Этап замораживания с учетом теплопередачи долкеи учитывать термическое сопротивление льда хладоносителя,из-за которого изменяется средняя температура льда,корпуса криоаппликатора,внутреннего корпуса камеры и теплоизоляции.Однако проведенные оценки показали, что за весь

период замораживания изменение этих температур не превышает Ií-I,5 град, и поэтому соответствующими членами в уравнении теплового баланса могло пренебречь,а расчеты проводить по уравнению (12).

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования опытного образца.Испытания были разбиты на три этапа:определение температурных и тепловых характеристик различных криоалпликато-ров,охлажденных в аидком азоте; исследование рабочих характеристик низкотемпературной камеры,пустой и загруженной криоаппликаторами;определение рабочих характеристик охлажденных в камере криоаппликаторов в процессе их использования с имитаторами нагрузки.

На первом этапе исследовались криоаппликаторы,заполненные этиловым спиртом или ацетоном и имеющие различные конструкции оребрения кркозонда внутри контейнера и различные конструкции самого криозонда. Оребрение было двух типов - прямоугольные продольные ребра и кольцевые ребра.Криозонд также выполнялся в дв^гх вариантах - сплошной медный и полый с заполнением полости этаном (термосифон).

Исследования показали,что тепловые характеристики криоаппликаторов, заполненных спиртом и ацетоном очень близки.Однако,спирт накладывает более жесткие ограничения на температурный режим камеры.Для спирта температура в камере должна быть на уровне 140--К,чтобы с учетом температурных потерь на теплопередачу и желательной скорости процесса охлаждения можно было бы осуществить замораживание.спирта (I59K). С помощью простейшей одноступенчатой машины эта осуществить не просто. Поэто.му было решено остановиться на ацетоне,для которого-достаточен температурный уровень в камере ^ 150*155 К.

При использовании в криозоцце сплошного медного стержня температурные потери по длине криозонда при тепловой нагрузке 12 Вт (плотность теплового потока ^ ~ 120 квт/м ) достигали 30 град.Из них на долю термического сопротивления внутри контейнера приходится около ЗОй.Для сравнения укажем,что аналогичные потери на криозонде-термоси-фоне не превышает 15 град.Поэтому в дальнейшем исследовались криоаппликаторы только с такими криозондами.

Исследования различного вида оребрения криозонда показали, что аппликаторы с кольцевыми ребрами в первые 5*10 мин работы имеют более низкую температуру рабочего наконечника по сравнения с аппликаторами, у которых криозонд оребрен продольными прямоугольными ребрами. Объясняется это более раннимпоткрытием" тертосифона у криозонда с' кольцевым орсбрением.Через 10-15 мин температурные характеристики ал-

пликаторов с продольны»-! оребренисм криозонда становятся лучше чем у аппликаторов с кольцевым оребрением. Для большинства областей применения криохирургического аппарата (оториноларингология, гинекология, дерматология, офтальмология, стоматология) рабочее время криооперации не превышает 10-15 мин., поэтому в опытном образце, результаты исследования которого приведены нике, применялось кольцевое оребрение части криозонда, расположенной внутри контейнера.

На рис.2 представлены экспериментальные данные по охлаждению камеры, пустой х загруженной одним и двумя крноаппликаторами. Во время испытаний температура среды равнялась 290К, а в качестве температуры '7~!э принималась температура воздуха в камере.

Рассматривал графики, отметим, что для всех случаев минимальная температура в камере равнялась примерно 153 К (~120°С). 7г.?.-пература замерзания ацетона равна 178 К, поэтому моакэ считать, что уже при теетературах в камере 158 J.- 155 К ацетон э аппликаторах заморожен и они находятся в рабочем состоянии. Указанные температуры при первично!.! охлаждении камеры с двумя аппликатора;.;;! достигаются через 3 4- 3,5 часа. Однако реальные условия работы установки таковы, что использованный аппликатор помечается п уло ох-лаяденнуя камеру.

На рис.3 показа1ю изменение температуры в охлажденной кгмзре, когда в нее помещается теплый аппликатор. В данном случае вышеуказанные температуры достигаются за 2 часа. Но и этот случай не вполне реален. Типичный режим охлаждения и замораживания аппликаторов, заключается в том, что в охлажденную камеру, где находится от 5 до 10 готовых к работе аппликаторов, помещается еще один отработавший аппликатор, в котором расплавился ацетон, но элемента, которого

кмсют температуру примерно 200 К. Проведенная оценка с использованием опытных данных, по заморозке одного, двух- и более аппликаторов показывает, что для последнего случая время подготовки отработавшего аппликатора не превышает 0,5 часа.

На рис.4 показаны рабочие характеристики криоаппликатора, от-ракаощие зависимость температуры рабочего наконечника, размещенного на торце криозонда, от времени при различных тепловых нагрузках. Начальные и конечные участки рабочих характеристик отражают изменение температуры наконечника, связанной с теплоемкостью элементов криоаппликатора. Участки, где наблюдается слабое изменение-температуры, связаны с теплотой плавления ацетона. По этим участках: легко оценить термическое сопротивление криозопда. Так при тепловой нагрузке О = 12 Вт, характерной для офтальмологии, дерматологии, стоматологии, температура наконечника во временном диапазоне от 10 до 18 мин изменяется в пределах 183-185 К. Отсюда вытекает, что при температуре плавления ацетона,- равной 178 К суммарные температурные потери на криозонде составляют 5-7 град. Для тепловой нагрузки С) а 20 Вт (оториноларингология, гинекология, онкология) оти потери возрастают до 13 град. Приведенные данные подтверждают высокую эффективность работы криозонда-термосифока.

На рис.5 приведено сравнение расчетных и экспериментальных данных по охлаждению, заморакиваншо и переохлаадениз одного криоаппликатора в низкотемпературной камере. Сравнение показывает, что в области охлаждения до температуры 168 К наблюдается хорошее согласование расчетных и опытньи данных. Опытные точки практически лонатсл на расчетную кривую, и максимальное расхождение но превышает 10^5.

Рис. 1а.Схема криохирургической установки с аккумуляторами холода: •1-коупрессср,2-концевой теплообменник,£-$ильтр,4-фаэораэделитель, 5,0-дросселя,6,7-рекуперативные теплообменники,^-низкотемпературна я камера, 10-теплообменник нагрузки,П-крисаппликаторы-аккумуля-

95 // // {

4 л

1шрш

1

-----------т —-----------

еб-

Еис.1б.Кркоаппликатор с термосифснным криозондсм и кольцевыми ре рами: 1-кснтейнер,2-криозонд,2-оребрение крисзонда,4-расочий нако нечнкк,5-хладснсситель,6-рабочее вещество криозснда,7* О-зяпизвоч ное устройство

т\с 10

-ю

-30 -50 -70 -90 -110 -но

-^

1 : 1

1

/ /

V к 1/ А /

\ / 55= так —

0{ 2345678 Ъчас

й'*с.2.С1з>дше динамические характеристики камеры: 1-лустая камера, 2 и 3 - камера с одним и двумя криоаппликаторами

Рис. 3. Замораживание криоаппликатора в предварительно схлавдсшой

Bsc.5.Сравнение расчетных и экспериментальных дгшь'х — расчет, xN- эксперимент

тс

В области замораживания имеются расхождения. При принятых допущениях расчетная зависимость горизонтальна, а в эксперименте сна изменяется. Максимальное среднее расхождение составляет 4 град. Расчетное гремя замораживания 6600 сек хороао согласуется с опытным.

В области л ере охлаждения расчетные и опытные данные согласуются тагске хорояо, кз^с и в области охлаждения.

В Ы В О Д Ы

1.Проведенный критический обзор литературное данных по малинным криохирургическим установкам показал, что многие недостатки существующих образцов позмоию устранить,испольс-овяв схему установки с низкотемпературной камерой и охлажденными г ней автономными криоаппликаторами-эккумулЕторэмн холода.

2.Показано, что в автономном криоапплнхаторе в качестве -аккумулятора холода м--,?.ет быть использован твердый ацетон, о крко -зонд может быть выполнен в виде термосифона, заполненного глд!:км этаном, что позволяет получить в об"еме ЮС см3 сзпсс холода до

2 Вт.час и снизить температурные потери по криозенду до 5 10 К при тепловой нагрузке 10 Ч 20 Вт.

3.Разработанная ыатемзтическая модель криохирургической установки с камерой и автономными криоаппликаторзми учитывает характерные особенности установки и позволяет проводить расчеты ее энергетических, температурных и динамических характеристик.

--16т

4..Исследозаниз опытных образцов показало, что с помощью' предложенной установки возмозю получить на температурном уровне 190 К холодолроизводительность 20 Вт при времени непрерывной работы автономных криоадпликаторов до 10 мин.

5.Сравнение расчетных и опытных характеристик криохирургической установки дает лх удовлетворительное совпадение и подтверждает возможность использования предложенной математической модели для расчета и проектирования исследуемых установок.

6.Анализ полученных при исследовании опытных образцов тепловых, температурных и динамических характеристик показывает,ч то разработанная установка ыэжет использоваться для проведения криохирургических операций в оториноларингологии, гинекологии, стоматологии, офтальмологии и дерматологии.

Публикации по материалам диссертации

1. Кравченко М.Б.,Сидер И.,"Криохирургическая установка", УЖ Все-^ союзная научная конференция "Холод- народному хозяйству"» Ленинград, 1991.

2.Сидер И.,Экологически чистая криохирургическая установка", Ш-я Международная экологическая конференция,"Экология-93",Одесса, 1993.

.З.Наер В.А.,Сидер ,"Криохирургическая установка",Сб.Холодильная техника и технология, вып.56, 1993 (в печати). 4.Наер В.А..Кравченко М.Б..Сидер Исхак,"Низкотемпературная установка", патент; половит.решение от 16.03.92 на заявку № 4922917/ 06/25725 от 29.03.91.

г.Одесса.ротапркиг. ОИНТЭ.Подписано к печати 22.№.94 Сбъеи 1,6 п.л. Тираз 100. Заказ ЧЫ-ЭЬ